火焰探測器的應(yīng)用及原理
一、概述

對于大型煤粉鍋爐，爐膛燃燒火焰的穩(wěn)定與否，是保證鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最重要條件。當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)或操作不當(dāng)時(shí)，會引起部分或全部煤粉燃燒器熄滅，不僅降低了鍋爐熱效率，同時(shí)還產(chǎn)生了污染和噪聲。若繼續(xù)向燃燒器提供煤粉，會引起煤粉在爐膛內(nèi)的堆積進(jìn)而產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，這將嚴(yán)重威脅鍋爐爐膛設(shè)備的安全和使用壽命。為了防止爆燃現(xiàn)象發(fā)生，必須對爐膛內(nèi)的火焰進(jìn)行切實(shí)有效的檢測。

火焰探測器是爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)(FSSS)的“眼睛”，用來觀察爐膛是否有火焰。目前，火焰探測器已從普通光學(xué)檢測器(紫外火焰探測器、可見光火焰探測器和紅外火焰探測器)發(fā)展到了火焰圖像檢測器。

二、火焰探測器的分類

2.1紫外火焰探測器

紫外火焰探測器采用紫外光敏管作為傳感元件，其光譜范圍在0.006~0.4μm之間。紫外光敏管是一種固態(tài)脈沖器件，其發(fā)出的信號是自身脈沖頻率與紫外輻射頻率成正比例的隨機(jī)脈沖。紫外光敏管有二個(gè)電極，一般加交流高電壓。當(dāng)輻射到電極上的紫外光線足夠強(qiáng)時(shí)，電極間就產(chǎn)生“雪崩”脈沖電流，其頻率與紫外光線強(qiáng)度有關(guān)，最高達(dá)幾千赫茲。滅火時(shí)則無脈沖。

2.2可見光火焰探測器

可見光火焰探測器采用光電二極管作為傳感元件，其光譜響應(yīng)范圍在0.33~0.7m之間.可見光火焰探測器由探頭、機(jī)箱和冷卻設(shè)備等部分組成。爐膛火焰中的可見光穿過探頭端部的透鏡，經(jīng)由光導(dǎo)纖維到達(dá)探頭小室，照到光電二極管上。

該光電二極管將可見光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)由對數(shù)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。對數(shù)放大器輸出的電壓信號再經(jīng)過傳輸放大器轉(zhuǎn)換成電流信號。然后通過屏蔽電纜傳輸至機(jī)箱。在機(jī)箱中，電流信號又被轉(zhuǎn)換為電壓信號。代表火焰的電壓信號分別被送到頻率檢測線路、強(qiáng)度檢測線路和故障檢測線路。強(qiáng)度檢測線路設(shè)有兩個(gè)不同的限值，即上限值和下限值。當(dāng)火焰強(qiáng)度超過上限值時(shí)，強(qiáng)度燈亮，表示著火;當(dāng)強(qiáng)度低于下限值時(shí)，強(qiáng)度燈滅，表示滅火。

頻率檢測線路用來檢測爐膛火焰閃爍頻率，它根據(jù)火焰閃爍的頻率是高于還是低于設(shè)定頻率，可正確判斷爐膛有無火焰。故障檢測線路也有兩個(gè)限值，在正常的情況下，其值保持在上、下限值之間。一旦機(jī)箱的信號輸入回路出現(xiàn)故障，如光電管至機(jī)箱的電纜斷線，則上述電壓信號立刻偏離正常范圍，從而發(fā)出故障報(bào)警信號。

2.3紅外火焰探測器

紅外火焰探測器采用硫化鉛或硫化鎘光敏電阻作為傳感元件，其光譜響應(yīng)范圍在0.7~3.2μm之間。紅外火焰探測器也是由探頭、機(jī)箱和冷卻設(shè)備組成。燃燒器火焰的一次燃燒區(qū)域所產(chǎn)生的紅外輻射，經(jīng)由光導(dǎo)纖維送到探頭，通過探頭中的光敏電阻轉(zhuǎn)換成電信號，再由放大器放大。該火焰信號由屏蔽電纜送到機(jī)箱，通過頻率響應(yīng)開關(guān)和一個(gè)放大器后，再同一個(gè)參考電壓(可調(diào))進(jìn)行比較。

若火焰信號大于參考信號，則將對應(yīng)的觸發(fā)器置“1”，觸發(fā)器輸出信號被送至火焰檢測線路，使機(jī)箱內(nèi)紅色火焰指示燈發(fā)亮(表示著火)。反之，如果探頭沒有檢測到火焰，則起動一個(gè)3.5s的定時(shí)器，當(dāng)3.5s過后，即將上述觸發(fā)器置“0”，觸發(fā)器輸出信號被送至火焰檢測線路，使機(jī)箱內(nèi)的紅色火焰指示燈熄滅(表示滅火)。

2.4火焰圖像檢測器

火焰圖像檢測器是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品?；鹧鎴D像檢測器主要由傳像光纖、攝像機(jī)(簡稱CCD)、視頻輸入處理器、圖像存儲器和計(jì)算機(jī)組成。

帶有冷卻風(fēng)的傳像光纖伸入爐膛(四角布置，以層為單位進(jìn)行火焰檢測)，將所檢測的燃燒器火焰圖像以光信號的形式傳到攝像機(jī)的靶面上，攝像機(jī)再將圖像轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號，并通過視頻電纜傳給視頻輸入處理器。視頻輸入處理器將模擬視頻信號經(jīng)MD(模擬量/數(shù)字量)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字圖像存儲于圖像存儲器中。

計(jì)算機(jī)則將圖像存儲器中數(shù)字化的圖像信息按照一定的著火判據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出燃燒器火焰的有或無(0N/OFF)信號，并將其送至FSSS。

三、火焰探測器的應(yīng)用

目前，在火電廠應(yīng)用的火焰探測器主要有美國FOR-NEY公司IDD-Ⅱ型火焰探測器、美國CE公司的SAFESCANI型和Ⅱ型火焰探測器、美國BALLEY公司的BMS型火焰探測器(系統(tǒng))、日本三菱公司的OPTIS型火焰圖像檢測器和芬蘭的DIMAC型火焰圖像檢測器。

紫外火焰探測器的優(yōu)點(diǎn)是報(bào)警靈敏度高。在鍋爐(或燃燒器)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，火焰呈現(xiàn)明顯的閃動或發(fā)暗，此時(shí)紫外線強(qiáng)度大大減弱，導(dǎo)致檢測器的報(bào)警繼電器動作(誤報(bào))，又由于紫外線輻射會被油霧、水蒸汽、煤塵及燃燒副產(chǎn)品所吸收，所以，燃煤式鍋爐在配風(fēng)失調(diào)工況(或低負(fù)荷)下，用紫外火焰探測器進(jìn)行火焰檢測是不可靠的。從20世紀(jì)70年代末期開始，這種檢測器在煤粉爐上的應(yīng)用日趨減少。

由于紅外光輻射的波長較長，所以不易被煙、飛灰或CO2所吸收，因此，紅外火焰探測器在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)比紫外火焰探測器工作穩(wěn)定，對探頭的安裝位置和方向的要求也不像其它類型檢測器那樣苛刻。目前，這種火焰探測器在火電廠的鍋爐上廣泛應(yīng)用。

可見光火焰探測器的特點(diǎn)是極其類似人的眼睛的光譜響應(yīng)。由于這種檢測器采用了光導(dǎo)纖維將火焰的可見光傳輸?shù)教筋^中的對數(shù)放大器，而光導(dǎo)纖維的形狀可以任意彎曲，使得探頭不必直接對準(zhǔn)火焰，這樣有利于延長探頭的工作壽命。目前，這種火焰探測器也正在火電廠的鍋爐上廣泛應(yīng)用。

普通光學(xué)檢測器僅依靠一個(gè)光敏元件收集火焰特征區(qū)的平均光強(qiáng)，所獲信息量的局限性經(jīng)常導(dǎo)致作為前景的火焰和背景無法有效分辨。普通光學(xué)檢測器探頭的視野范圍很小，在火焰波動較大(鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行)時(shí)會誤報(bào)爐膛滅火。